實際應用中的酸鹼分析：化學練習試卷

這是一份原創的 tutorgum 練習試卷，涵蓋實際應用中的酸鹼分析，並依據所提供的 chemistry-2017 主題範圍編寫。本試卷評量數位 pH 與電導率測量、家庭用品酸度分析、工業滴定品質管制，以及在澳洲原住民族與托雷斯海峽島民社群脈絡中，以尊重的方式進行酸鹼分析研究。本試卷聚焦於特定主題，並非完整課程考試，也不是 NESA 官方試卷、認可試卷、歷屆試卷或預測試卷。

01考試說明

以上為本練習試卷建議的考試條件，並非對官方考試規則的說明。

評量範圍

本試卷僅評量以下指定主題範圍：

• 用於收集、處理及評估 pH 與電導率數據的數位探針和儀器。
• 校正、取樣品質、重複性，以及分析方法的適用性。
• 家庭用品酸度分析，包括滴定及結果的傳達。
• 工業滴定、品質管制，以及有關產品規格的決策。
• 在澳洲原住民族與托雷斯海峽島民的相關脈絡中，以尊重的方式研究酸鹼分析，包括社群的主導權、文化脈絡及負責任的報告方式。

不包括其他化學模組，以及超出上述指定範圍的內容。

作答慣例

• 使用公升計算濃度單位為 mol L⁻¹ 的物質的量。
• 數值答案應附上單位，但 pH 等本身沒有單位的物理量除外。
• 根據所提供的數據，以適當的有效數字作答。
• 仔細閱讀每道題目。作出結論時，應指出支持結論的證據，尤其是在評估數據或方法適用性時。

02題目

第 1 題（8 分）

一名學生打算使用數位 pH 探針測量一種鹼性家用清潔產品的 pH。

該探針已使用 pH 4.00 和 pH 7.00 的緩衝溶液完成校正。接著，技術人員使用三種新鮮的認證緩衝溶液，檢查探針的性能。

驗收標準規定，每次檢查的讀數與認證值之間的差異必須在 ±0.05 個 pH 單位以內。

(a) 計算每種緩衝溶液的認證值與探針讀數之間的絕對偏差。（3 分）

(b) 判斷這些結果是否足以支持在整個 pH 範圍內使用該探針，包括測量該鹼性清潔產品。請根據驗收標準說明理由。（2 分）

(c) 說明在使用該探針測量清潔產品之前，應採取的適當修正程序及一項驗證步驟。（3 分）

第 2 題（9 分）

一個野外調查團隊從三個水樣中各取得三次重複的 pH 與電導率讀數。每組讀數均代表對同一水樣進行的重複測量。

電導率以微西門子每公分（µS cm⁻¹）表示。

• 水樣 A
• 水樣 B
• 水樣 C

(a) 計算水樣 A 和 C 的平均 pH，答案均取至小數點後兩位。（2 分）

(b) 指出 pH 測量重複性最差的水樣，並計算其讀數範圍。（2 分）

(c) 計算水樣 B 的平均電導率，並附上適當單位。（2 分）

(d) 根據水樣 B 的電導率數據，指出一項有數據支持的推論。接著指出一項無法單憑電導率確定的水樣特性。（2 分）

(e) 指出在接受水樣 B 的 pH 結果之前，應完成的一項操作程序檢查。（1 分）

第 3 題（11 分）

一名學生透過滴定，研究一種家用檸檬飲料的酸度。

另行測量的原始飲料 pH 為 2.84。

學生使用移液管量取 10.00 mL 飲料，注入 100.0 mL 容量瓶，再加入蒸餾水至刻度。接著，取 20.00 mL 稀釋溶液的等分試樣（即量取的一定體積），以 0.1000 mol L⁻¹ 的氫氧化鈉 NaOH 進行滴定。

滴定體積（titre）是指滴定過程中，為達到滴定終點而加入的滴定劑體積。

三次滴定的體積如下：

計算時，假設只有檸檬酸會對滴定結果產生影響。請使用以下提供的反應方程式：

\[ \ce{C6H8O7 + 3NaOH -> Na3C6H5O7 + 3H2O} \]

(a) 計算平均滴定體積。（1 分）

(b) 計算在平均滴定體積下加入的 NaOH 物質的量，以莫耳表示。（2 分）

(c) 計算稀釋後飲料中檸檬酸的濃度，以 mol L⁻¹ 表示。（3 分）

(d) 計算原始飲料中檸檬酸的濃度，以 mol L⁻¹ 表示。（2 分）

(e) 解釋為何測得的 pH 與滴定所得的濃度代表飲料的不同性質。（2 分）

(f) 指出一項原因，說明為何計算所得的數值可能不等於實際飲料中的檸檬酸濃度。（1 分）

第 4 題（12 分）

某工業廠房生產一種含有一元酸的清潔溶液，以 HZ 表示。一元酸每莫耳酸會與一莫耳 NaOH 反應。

品質管制技術人員使用已標定濃度的 0.1500 mol L⁻¹ NaOH，滴定每批產品中量取的 25.00 mL 樣品。

反應方程式如下：

\[ \ce{HZ + NaOH -> NaZ + H2O} \]

產品規格要求酸的濃度介乎 0.185 至 0.195 mol L⁻¹，並包括兩個端點值。

記錄的滴定體積如下。

(a) 計算每個批次的平均滴定體積。（2 分）

(b) 計算每個批次的酸濃度，以 mol L⁻¹ 表示。（4 分）

(c) 判斷哪個批次符合產品規格，並以數值證據支持你的判斷。（2 分）

(d) 解釋收集多次重複滴定結果的一項原因，並指出僅依賴重複測量的一項限制。（2 分）

(e) 建議在 B 批次獲准放行使用之前，應採取的兩項適當品質管制措施。（2 分）

第 5 題（10 分）

某個虛構的當代環境監測計畫由一個澳洲原住民族社群的巡護團隊主導。該團隊選定兩個監測地點，並將其在地觀察與數位 pH 探針及電導率計的測量結果結合。

一名研究合作夥伴草擬了一份報告，僅根據儀器讀數，就將該計畫描述為「一種用於辨識酸性水的澳洲原住民族傳統方法」。該合作夥伴也提議，在未進一步取得社群批准的情況下，公開確切的地點位置及團隊的觀察結果。

此情境純屬虛構，並不描述任何特定社群、文化實踐或知識體系。

(a) 解釋 pH 與電導率測量各自能確定水樣的哪些特性，並分別指出每種測量的一項限制。（4 分）

(b) 指出兩項有助於促進尊重式合作，並確保社群能掌控計畫所涉及知識與數據的措施。（2 分）

(c) 評估對該計畫提出的描述，並建議在教育資源中發表時，應如何更準確地描述這項工作。（2 分）

(d) 指出在報告野外測量結果之前，應完成的兩項科學檢查。（2 分）

03詳解與評分指南

若學生將先前的數值結果套用於正確的解題方法，即使先前的結果有誤，仍應給予相應的後續步驟分。只要數學上等價、取位方式適當，或題目允許使用有效的替代程序，均可接受。

第 1 題詳解

(a) 計算絕對偏差。（3 分）

絕對偏差是探針讀數與認證 pH 值之間差值的絕對值。

對於 pH 4.00 的緩衝溶液：

\[ |4.02-4.00|=0.02 \]

對於 pH 7.00 的緩衝溶液：

\[ |6.99-7.00|=0.01 \]

對於 pH 10.00 的緩衝溶液：

\[ |9.62-10.00|=0.38 \]

三種緩衝溶液的絕對偏差依序為 0.02、0.01 及 0.38 個 pH 單位。

評分：

• pH 4.00 緩衝溶液的偏差計算正確，得 1 分。
• pH 7.00 緩衝溶液的偏差計算正確，得 1 分。
• pH 10.00 緩衝溶液的偏差計算正確，得 1 分。

(b) 評估探針的適用性。（2 分）

該探針未能符合整個 pH 範圍的驗收標準。

pH 4.00 和 pH 7.00 的檢查結果均在允許的 ±0.05 偏差範圍內。然而，pH 10.00 的檢查結果偏差為 0.38，超出允許上限。

在校正問題得到處理之前，這些結果不足以支持使用該探針測量鹼性清潔產品。

評分：

• 正確判斷該探針未能符合整個範圍的要求，得 1 分。
• 指出 pH 10.00 的檢查未通過，並將其偏差與允許誤差範圍比較，得 1 分。

(c) 建議修正程序。（3 分）

適當的程序包括：

1. 清潔並沖洗探針，檢查是否有損壞，並確認探針的保存方式是否正確。
2. 使用新鮮且適當的緩衝溶液重新校正，包括 pH 7.00 和 pH 10.00 的緩衝溶液，以涵蓋預期的鹼性範圍。
3. 測量清潔產品之前，使用適當的已知標準溶液驗證校正結果。在檢查結果符合驗收標準之前，不應使用該探針報告測量結果。如果探針仍然無法通過檢查，應進行維修或更換。

評分：

• 提出適當的清潔、檢查或維護措施，得 1 分。
• 使用適當的新鮮緩衝溶液重新校正，得 1 分。
• 使用已知標準溶液驗證，並說明探針仍未通過檢查時應採取的適當措施，得 1 分。

第 2 題詳解

(a) 計算水樣 A 和 C 的平均 pH。（2 分）

平均值的計算方法是將重複測量的讀數相加，再除以三。

對於水樣 A：

\[ \begin{aligned} \text{平均 pH} &=\frac{6.42+6.48+6.43}{3}\\ &=\frac{19.33}{3}\\ &=6.44 \end{aligned} \]

對於水樣 C：

\[ \begin{aligned} \text{平均 pH} &=\frac{7.21+7.24+7.22}{3}\\ &=\frac{21.67}{3}\\ &=7.22 \end{aligned} \]

評分：

• 正確計算水樣 A 的平均 pH，得 1 分。
• 正確計算水樣 C 的平均 pH，得 1 分。

(b) 指出重複性最差的水樣。（2 分）

水樣 B 的重複性最差，因為其讀數的變化幅度遠大於水樣 A 和 C。

讀數範圍是最高讀數減去最低讀數：

\[ \begin{aligned} \text{範圍}&=7.82-5.12\\ &=2.70\text{ 個 pH 單位} \end{aligned} \]

如此大的範圍表示水樣 B 的重複 pH 測量結果不一致。

評分：

• 指出水樣 B，得 1 分。
• 正確計算讀數範圍為 2.70 個 pH 單位，得 1 分。

(c) 計算水樣 B 的平均電導率。（2 分）

平均電導率為：

\[ \begin{aligned} \text{平均電導率} &=\frac{620+625+618}{3}\\ &=\frac{1863}{3}\\ &=621\text{ µS cm}^{-1} \end{aligned} \]

評分：

• 平均值計算正確，得 1 分。
• 答案及單位正確，得 1 分。

(d) 解讀電導率數據。（2 分）

水樣 B 的平均電導率為 621 µS cm⁻¹，遠高於水樣 A 的平均電導率（182 µS cm⁻¹）及水樣 C 的平均電導率（約 206 µS cm⁻¹）。

這支持以下推論：水樣 B 含有較多溶解的可移動離子。不過，單憑電導率無法辨識水樣中存在的離子種類，也無法確定水樣呈酸性還是鹼性。

評分：

• 根據較高的電導率提出合理推論，得 1 分。
• 說明一項有效的限制，例如無法辨識特定離子，或無法單憑電導率判定酸鹼性，得 1 分。

(e) 建議一項操作程序檢查。（1 分）

技術人員可以沖洗 pH 探針，將其放入一份新鮮的水樣 B 中，等待讀數穩定後再次測量。另一種做法是使用適當的緩衝溶液驗證探針的校正狀態。

任一方法都有助於判斷讀數不一致是否源自測量程序或儀器本身。

評分：

• 提出一項有效的操作程序檢查，得 1 分。

第 3 題詳解

(a) 計算平均滴定體積。（1 分）

\[ \begin{aligned} \text{平均滴定體積} &=\frac{12.35+12.45+12.40}{3}\\ &=12.40\text{ mL} \end{aligned} \]

評分：

• 平均滴定體積計算正確，得 1 分。

(b) 計算 NaOH 的物質的量。（2 分）

首先，將平均滴定體積換算為公升：

\[ 12.40\text{ mL}=0.01240\text{ L} \]

溶解物質的量 \(n\) 可用其濃度 \(c\) 乘以體積 \(V\) 計算，其中體積 \(V\) 必須以公升表示。

\[ \begin{aligned} n(\ce{NaOH})&=cV\\ &=0.1000\times0.01240\\ &=0.001240\text{ mol} \end{aligned} \]

因此，加入的 NaOH 物質的量為 \(1.240\times10^{-3}\) mol。

評分：

• 將滴定體積換算為公升，並使用正確的關係式，得 1 分。
• 正確計算物質的量，並以莫耳表示，得 1 分。

(c) 計算稀釋後飲料的濃度。（3 分）

所提供的方程式顯示，每 1 莫耳檸檬酸會與 3 莫耳 NaOH 反應。

因此：

\[ \begin{aligned} n(\text{檸檬酸}) &=\frac{n(\ce{NaOH})}{3}\\ &=\frac{0.001240}{3}\\ &=4.133\times10^{-4}\text{ mol} \end{aligned} \]

用於滴定的等分試樣體積為 20.00 mL，即 0.02000 L。

稀釋後飲料中的檸檬酸濃度為：

\[ \begin{aligned} c&=\frac{n}{V}\\ &=\frac{4.133\times10^{-4}}{0.02000}\\ &=0.02067\text{ mol L}^{-1} \end{aligned} \]

評分：

• 正確套用檸檬酸與 NaOH 的 1:3 莫耳比，得 1 分。
• 使用正確的等分試樣體積，並換算為公升後進行計算，得 1 分。
• 濃度計算正確，並附上單位，得 1 分。

(d) 計算原始飲料的濃度。（2 分）

原始的 10.00 mL 樣品被稀釋至最終體積 100.0 mL。

稀釋倍數為：

\[ \text{稀釋倍數}=\frac{100.0}{10.00}=10.00 \]

因此，原始濃度是稀釋後濃度的十倍：

\[ \begin{aligned} c_{\text{原始}} &=0.02067\times10.00\\ &=0.2067\text{ mol L}^{-1} \end{aligned} \]

在題目所述假設下，原始飲料中估算的檸檬酸濃度為 \(0.2067\text{ mol L}^{-1}\)。

評分：

• 正確指出並套用 10.00 的稀釋倍數，得 1 分。
• 原始濃度計算正確，並附上單位，得 1 分。

(e) 解釋 pH 與滴定結果的差異。（2 分）

pH 值 2.84 表示原始飲料在測量當下的酸性程度，並與溶液中的氫離子活度有關。

滴定測量的是將酸中和至所選終點所需的 NaOH 量。在題目所述假設下，這可用來估算檸檬酸的濃度。更一般而言，滴定可用於測定可滴定酸度，而可滴定酸度與 pH 並非同一種性質。

這兩種測量回答的是不同問題，因此不能直接以 pH 值代替滴定計算中的數值。

評分：

• 解釋 pH 所表示的意義，得 1 分。
• 解釋滴定所測量的性質，並指出其與 pH 的差異，得 1 分。

(f) 指出一項限制。（1 分）

實際飲料可能含有其他也會與 NaOH 反應的酸。如果存在這些酸，滴定測量到的可能是飲料的總可滴定酸度，而非單獨的實際檸檬酸濃度。

評分：

• 指出一項有效限制，例如存在其他酸，或滴定終點的不確定性，得 1 分。

第 4 題詳解

(a) 計算每個批次的平均滴定體積。（2 分）

對於 A 批次：

\[ \begin{aligned} \text{平均滴定體積} &=\frac{31.55+31.60+31.65}{3}\\ &=31.60\text{ mL} \end{aligned} \]

對於 B 批次：

\[ \begin{aligned} \text{平均滴定體積} &=\frac{34.20+34.15+34.25}{3}\\ &=34.20\text{ mL} \end{aligned} \]

評分：

• 正確計算 A 批次的平均滴定體積，得 1 分。
• 正確計算 B 批次的平均滴定體積，得 1 分。

(b) 計算每個批次的酸濃度。（4 分）

HZ 與 NaOH 的反應莫耳比為 1:1。因此，每份樣品中的酸物質的量等於平均滴定體積所加入的 NaOH 物質的量。

對於 A 批次：

\[ \begin{aligned} n(\ce{NaOH}) &=cV\\ &=0.1500\times0.03160\\ &=0.004740\text{ mol} \end{aligned} \]

酸的濃度為：

\[ \begin{aligned} c(\ce{HZ}) &=\frac{0.004740}{0.02500}\\ &=0.1896\text{ mol L}^{-1} \end{aligned} \]

對於 B 批次：

\[ \begin{aligned} n(\ce{NaOH}) &=0.1500\times0.03420\\ &=0.005130\text{ mol} \end{aligned} \]

酸的濃度為：

\[ \begin{aligned} c(\ce{HZ}) &=\frac{0.005130}{0.02500}\\ &=0.2052\text{ mol L}^{-1} \end{aligned} \]

計算所得的濃度分別為：A 批次 0.1896 mol L⁻¹，B 批次 0.2052 mol L⁻¹。

評分：

• 正確計算 A 批次的 NaOH 物質的量，得 1 分。
• 正確計算 A 批次的酸濃度，得 1 分。
• 正確計算 B 批次的 NaOH 物質的量，得 1 分。
• 正確計算 B 批次的酸濃度，得 1 分。

(c) 判斷哪個批次符合規格。（2 分）

A 批次符合規格，因為其濃度為 0.1896 mol L⁻¹，落在允許範圍 0.185-0.195 mol L⁻¹ 之內。

B 批次不符合規格，因為其濃度為 0.2052 mol L⁻¹，超過 0.195 mol L⁻¹ 的上限。

評分：

• 正確指出 A 批次符合規格，而 B 批次不符合規格，得 1 分。
• 使用計算所得的濃度及規格限值支持判斷，得 1 分。

(d) 解釋重複滴定的目的及限制。（2 分）

重複滴定有助於評估重複性。結果相近表示測量程序可能具有一致性，而異常結果則可能表示存在隨機誤差或操作程序問題。

然而，重複測量不一定能揭示系統誤差。例如，測量儀器校正不正確，或 NaOH 濃度不準確，都可能以相似方式影響每次試驗。

評分：

• 解釋重複滴定如何協助評估一致性或辨識異常結果，得 1 分。
• 指出一項限制，例如單靠重複測量無法偵測系統誤差，得 1 分。

(e) 建議 B 批次的兩項品質管制措施。（2 分）

首先，暫停放行 B 批次。在結果顯示產品不符合規格期間，不應將其放行使用。

其次，重新採集具有代表性的新樣品，使用已驗證的設備及已標定濃度的 NaOH 重複進行滴定。如果確認結果仍然相同，便應調查生產流程，並在重新檢測該批次之前，依照工廠核准的修正程序處理。

評分：

• 建議在確認結果之前暫停放行該批次，得 1 分。
• 建議在放行之前進行適當的重新取樣、重新測試或調查，得 1 分。

第 5 題詳解

(a) 解釋 pH 與電導率測量能確定的性質。（4 分）

pH 表示水樣的酸性或鹼性程度。然而，單靠 pH 測量，無法辨識造成測得酸性的物質，也無法解釋其來源。

電導率表示溶液傳導電流的能力，這取決於溶解的可移動離子的存在及其行為。然而，單靠電導率無法辨識其中存在的特定離子，也無法確定水呈酸性還是鹼性。

這兩種測量能提供互補的資訊。單靠其中任何一種測量，都無法辨識水質變化的原因。

評分：

• 解釋 pH 所表示的意義，得 1 分。
• 指出 pH 測量的一項限制，得 1 分。
• 解釋電導率所表示的意義，得 1 分。
• 指出電導率測量的一項限制，得 1 分。

(b) 建議兩項有助於尊重式合作的措施。（2 分）

兩項適當的措施如下：

1. 在使用、分享或發表觀察結果及地點資訊之前，取得相關社群的知情同意，並遵守其相關規範。
2. 就社群如何掌控、審查、解讀及批准其知識與數據的使用方式達成共識，包括適當的署名方式，以及對敏感地點資訊分享的限制。

澳洲原住民族與托雷斯海峽島民群體具有多樣性。研究人員不應假設某一社群的規範、知識或偏好也適用於其他社群。

評分：

• 提出一項涉及同意、諮詢或社群規範的適當措施，得 1 分。
• 提出一項涉及數據掌控、出版審批、署名或敏感資訊保護的適當措施，得 1 分。

(c) 評估所提出的描述。（2 分）

根據所提供的證據，這項描述缺乏充分依據。在當代由社群主導的計畫中使用數位探針，本身並不能證明該方法屬於傳統方法。同樣地，單一計畫使用儀器，也不足以支持對所有澳洲原住民族與托雷斯海峽島民作出概括性主張。

更準確的描述可以是：

一項由社群主導的當代水質監測計畫，結合在地觀察與 pH 及電導率測量，並在參與社群批准後，對計畫進行描述及分享相關成果。

任何特定的文化知識或實踐，都應在具備適當證據、文化脈絡、許可及署名的情況下，才予以描述。

評分：

• 指出原有描述缺乏依據或過度概括的原因，得 1 分。
• 提出準確且具有適當脈絡的替代描述，得 1 分。

(d) 指出兩項科學檢查。（2 分）

適當的檢查包括：

• 在野外工作前後，使用適當的標準溶液驗證 pH 探針及電導率計的校正狀態。
• 依照一致的程序進行重複測量，在不同樣品之間沖洗探針，並記錄相關的取樣條件。

這些檢查有助於確認測量結果是否可靠，以及不同結果之間是否具有可比較性。

評分：

• 指出一項有效的儀器校正或驗證檢查，得 1 分。
• 指出一項有效的取樣、重複測量或測量品質檢查，得 1 分。